linux操作系統(tǒng)原理與應用 教學課件 ppt 作者 張玲 第1-6章 第4章

1、第4章 進 程 管 理,,4.1 進程 4.2 進程的運行模式 4.3 進程控制 4.4 進程調(diào)度 4.5 進程的互斥與同步 4.6 進程通信 4.7 線程 習題,4.1 進 程　　進程是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的核心概念，它用來描述程序的執(zhí)行過程，是實現(xiàn)多任務操作系統(tǒng)的基礎。操作系統(tǒng)的其他所有內(nèi)容都是圍饒著進程展開的。因此，正確地理解和認識進程是理解操作系統(tǒng)原理的基礎和關鍵。,,4.1.1 程序的順序執(zhí)

2、行與并發(fā)執(zhí)行　　1. 程序的順序執(zhí)行　　如果程序的各操作步驟之間是依序執(zhí)行的，程序與程序之間是串行執(zhí)行的，這種執(zhí)行程序的方式就稱為順序執(zhí)行。順序執(zhí)行是單道程序系統(tǒng)中的程序的運行方式?！　〕绦虻捻樞驁?zhí)行具有如下特點：　　(1) 順序性：CPU嚴格按照程序規(guī)定的順序執(zhí)行，僅當一個操作結(jié)束后，下一個操作才能開始執(zhí)行。多個程序要運行時，僅當一個程序全部執(zhí)行結(jié)束后另一個程序才能開始。,,(2) 封閉性：程序在封閉的環(huán)境中運行，即程序運行時

3、獨占全部系統(tǒng)資源，只有程序本身才能改變程序的運行環(huán)境。因而程序的執(zhí)行過程不受外界因素的影響，結(jié)果只取決于程序自身?！　?3) 可再現(xiàn)性：程序執(zhí)行的結(jié)果與運行的時間和速度無關，結(jié)果總是可再現(xiàn)的，即無論何時重復執(zhí)行該程序都會得到同樣的結(jié)果?！　】偟恼f來，這種執(zhí)行程序的方式簡單，且便于調(diào)試。但由于順序程序在運行時獨占全部系統(tǒng)資源，因而系統(tǒng)資源利用率很低。DOS程序就是采用順序方式執(zhí)行的。,,2. 程序的并發(fā)執(zhí)行　　單道程序、封閉式運行是

4、早期操作系統(tǒng)的標志，而多道程序并發(fā)運行是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本特征。由于同時有多個程序在系統(tǒng)中運行，使系統(tǒng)資源得到充分的利用，系統(tǒng)效率大大提高。　　程序的并發(fā)執(zhí)行是指若干個程序或程序段同時運行。它們的執(zhí)行在時間上是重疊的，即同一程序或不同程序的程序段可以交叉執(zhí)行。,,程序的并發(fā)執(zhí)行有以下特點：　　(1) 間斷性：并發(fā)程序之間因競爭資源而相互制約，導致程序運行過程的間斷。例如，在只有一個CPU的系統(tǒng)中，多個程序需要輪流占用CPU運行，未獲

5、得CPU使用權(quán)的程序就必須等待?！　?2) 沒有封閉性：當多個程序共享系統(tǒng)資源時，一個程序的運行受其他程序的影響，其運行過程和結(jié)果不完全由自身決定。例如，一個程序計劃在某一時刻執(zhí)行一個操作，但很可能在那個時刻到來時它沒有獲得CPU的使用權(quán)，因而也就無法完成該操作。,,(3) 不可再現(xiàn)性：由于沒有了封閉性，并發(fā)程序的執(zhí)行結(jié)果與執(zhí)行的時機以及執(zhí)行的速度有關，結(jié)果往往不可再現(xiàn)?！　】梢钥闯觯l(fā)執(zhí)行程序雖然可以提高系統(tǒng)的資源利用率和吞吐量

6、，但程序的行為變得復雜和不確定。這使程序難以調(diào)試，若處理不當還會帶來許多潛在問題。,,3. 并發(fā)執(zhí)行的潛在問題　　程序在并發(fā)執(zhí)行時會導致執(zhí)行結(jié)果的不可再現(xiàn)性，這是多道程序系統(tǒng)必須解決的問題。我們用下面的例子來說明并發(fā)執(zhí)行過程對運行結(jié)果的影響，從而了解產(chǎn)生問題的原因?！　≡O某停車場使用程序控制電子公告牌來顯示空閑車位數(shù)。空閑車位數(shù)用一個計數(shù)器C記錄。車輛入庫時執(zhí)行程序A，車輛出庫時執(zhí)行程序B，它們都要更新同一個計數(shù)器C。程序A和程序B

7、的片段如圖4-1所示。,,,圖4?1 兩程序并發(fā)運行，訪問計數(shù)器C,更新計數(shù)器C的操作對應的機器語言有3個步驟：讀取內(nèi)存C單元的數(shù)據(jù)到一個寄存器中，修改寄存器的數(shù)值，然后再將其寫回C單元中。　　由于車輛出入庫的時間是隨機的，程序A與程序B的運行時間也就是不確定的。當出入庫同時發(fā)生時，將使兩程序在系統(tǒng)中并發(fā)運行。它們各運行一次后C計數(shù)器的值應保持不變。但結(jié)果可能不是如此。,,如果兩個程序的運行時序按圖4-2(a)所示的順序進行，即一個

8、程序?qū)進行更新的操作是在另一個程序的更新操作全部完成之后才開始，則C被正確地更新了。如果兩個程序的運行時序如圖4-2(b)所示穿插地進行，即當一個程序正在更新C，更新操作還未完成時，CPU發(fā)生了切換，另一個程序被調(diào)度運行，并且也對C進行更新。在這種情況下會導致錯誤的結(jié)果。　　可以看出，導致C更新錯誤的原因是兩個程序交叉地執(zhí)行了更新C的操作。概括地說，當多個程序在訪問共享資源時的操作是交叉執(zhí)行時，則會發(fā)生對資源使用上的錯誤。,,圖4?

9、2 并發(fā)程序的執(zhí)行時序影響執(zhí)行結(jié)果,4.1.2 進程的概念　　進程的概念最早出現(xiàn)在20世紀60年代中期，此時操作系統(tǒng)進入多道程序設計時代。多道程序并發(fā)顯著地提高了系統(tǒng)的效率，但同時也使程序的執(zhí)行過程變得復雜而不確定。為了更好地研究、描述和控制并發(fā)程序的執(zhí)行過程，操作系統(tǒng)引入了進程的概念。進程概念對于理解操作系統(tǒng)的并發(fā)性有著極為重要的意義。,,1. 進程　　進程(process)是一個可并發(fā)執(zhí)行的程序在某數(shù)據(jù)集上的一次運行。簡單地

10、說，進程就是程序的一次運行過程?！　∵M程與程序的概念既相互關聯(lián)又相互區(qū)別。程序是進程的一個組成部分，是進程的執(zhí)行文本，而進程是程序的執(zhí)行過程。兩者的關系可以比喻為電影與膠片的關系：膠片是靜態(tài)的，是電影的放映素材。而電影是動態(tài)的，一場電影就是膠片在放映機上的一次“運行”。對進程而言，程序是靜態(tài)的指令集合，可以永久存在；而進程是個動態(tài)的過程實體，動態(tài)地產(chǎn)生、發(fā)展和消失。,,此外，進程與程序之間也不是一一對應的關系，表現(xiàn)在：　　(1) 一

11、個進程可以順序執(zhí)行多個程序，如同一場電影可以連續(xù)播放多部膠片一樣?！　?2) 一個程序可以對應多個進程，就像一本膠片可以放映多場電影一樣。程序的每次運行就對應了一個不同的進程。更重要的是，一個程序還可以同時對應多個進程。比如系統(tǒng)中只有一個vi程序，但它可以被多個用戶同時執(zhí)行，編輯各自的文件。每個用戶的編輯過程都是一個不同的進程。,,2. 進程的特性　　進程與程序的不同主要體現(xiàn)在進程有一些程序所沒有的特性。要真正理解進程，首先應了解它

12、的基本性質(zhì)。進程具有以下幾個基本特性：　　(1) 動態(tài)性：進程由“創(chuàng)建”而產(chǎn)生，由“撤銷”而消亡，因“調(diào)度”而運行，因“等待”而停頓。進程從創(chuàng)建到消失的全過程稱為進程的生命周期?！　?2) 并發(fā)性：在同一時間段內(nèi)有多個進程在系統(tǒng)中活動。它們宏觀上是在并發(fā)運行，而微觀上是在交替運行。,,(3) 獨立性：進程是可以獨立運行的基本單位，是操作系統(tǒng)分配資源和調(diào)度管理的基本對象。因此，每個進程都獨立地擁有各種必要的資源，獨立地占有CPU并獨立

13、地運行?！　?4) 異步性：每個進程都獨立地執(zhí)行，各自按照不可預知的速度向前推進。進程之間的協(xié)調(diào)運行由操作系統(tǒng)負責。,,3. 進程的基本狀態(tài)　　在多道系統(tǒng)中，進程的個數(shù)總是多于CPU的個數(shù)，因此它們需要輪流地占用CPU。從宏觀上看，所有進程同時都在向前推進，而在微觀上，這些進程是在走走停停之間完成整個運行過程的。為了刻畫一個進程在各個時期的動態(tài)行為特征，通常采用狀態(tài)圖模型。　　進程有3個基本的狀態(tài)，即：　　(1) 就緒態(tài)：進程已

14、經(jīng)分配到了除CPU之外的所有資源，這時的進程狀態(tài)稱為就緒狀態(tài)。處于就緒態(tài)的進程，一旦獲得CPU便可立即執(zhí)行。系統(tǒng)中通常會有多個進程處于就緒態(tài)，它們排成一個就緒隊列。,,(2) 運行態(tài)：進程已經(jīng)獲得CPU，正在運行，這時的進程狀態(tài)稱為運行態(tài)。在單CPU系統(tǒng)中，任何時刻只能有一個進程處于運行態(tài)?！　?3) 等待態(tài)：進程因某種資源不能滿足，或希望的某事件尚未發(fā)生而暫停執(zhí)行時，則稱它處于等待態(tài)。系統(tǒng)中常常會有多個進程處于等待態(tài)，它們按等待的事

15、件分類，排成多個等待隊列。,,4. 進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換　　進程誕生之初是處于就緒狀態(tài)，在其隨后的生存期間內(nèi)不斷地從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)，最后在運行狀態(tài)結(jié)束。圖4-3所示是一個進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖?！　∫馉顟B(tài)轉(zhuǎn)換的原因如下：　　運行態(tài)→等待態(tài)：正在執(zhí)行的進程因為等待某事件而無法執(zhí)行下去，比如，進程申請某種資源，而該資源恰好被其他進程占用，則該進程將交出CPU，進入等待狀態(tài)。,,,圖4?3 進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,等待態(tài)→就緒態(tài)：處于等待狀

16、態(tài)的進程，當其所申請的資源得到滿足，則系統(tǒng)將資源分配給它，并將其狀態(tài)變?yōu)榫途w態(tài)?！　∵\行態(tài)→就緒態(tài)：正在執(zhí)行的進程的時間片用完了，或者有更高優(yōu)先級的進程到來，系統(tǒng)會暫停該進程的運行，使其進入就緒態(tài)，然后調(diào)度其他進程運行。　　就緒態(tài)→運行態(tài)：處于就緒狀態(tài)的進程，當被進程調(diào)度程序選中后，即進入CPU運行。此時該進程的狀態(tài)變?yōu)檫\行態(tài)。,,4.1.3 進程控制塊　　進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊3部分組成，其中程序是進程執(zhí)行的可執(zhí)行代碼，

17、數(shù)據(jù)是進程所處理的對象，進程控制塊記錄進程的所有信息。它們存在于內(nèi)存，其內(nèi)容會隨著執(zhí)行過程的進展而不斷變化。在某個時刻的進程的內(nèi)容被稱為進程映像(process image)。　　系統(tǒng)中每個進程都是唯一的，用一個進程控制塊描述。即使兩個進程執(zhí)行的是同一程序，處理同一數(shù)據(jù)，它們的進程控制塊也是不同的。因此可以說，進程控制塊是進程的標志。,,1. 進程控制塊　　進程控制塊(Process Control Block，PCB)是系統(tǒng)為管

18、理進程設置的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄進程的相關信息。PCB是系統(tǒng)感知和控制進程的一個數(shù)據(jù)實體。當創(chuàng)建一個進程時，系統(tǒng)為它生成PCB；進程完成后，撤銷它的PCB。因此，PCB是進程的代表，PCB存在則進程就存在，PCB消失則進程也就結(jié)束了。在進程的生存期中，系統(tǒng)通過PCB來了解進程的活動情況，對進程實施控制和調(diào)度。因此，PCB是操作系統(tǒng)中的最重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。,,2. 進程控制塊的內(nèi)容　　PCB記錄了有關進程的系統(tǒng)所關心的所有信息，主要包

19、括以下4方面的內(nèi)容：　　1) 進程描述信息　　進程描述信息用于記錄一個進程的特征和基本情況，通過這些信息可以識別該進程，了解該進程的歸屬信息，以及確定這個進程與其他進程之間的關系。　　系統(tǒng)為每個進程分配了一個唯一的整數(shù)作為進程標識號PID，通過這個PID來標識這個進程。操作系統(tǒng)、用戶以及其他進程都是通過PID來識別進程的。此外，還要描述進程的家族關系，即父進程(創(chuàng)建該進程的進程)和子進程(該進程創(chuàng)建的進程)的信息。,,2) 進程控

20、制和調(diào)度信息　　進程是系統(tǒng)運行調(diào)度的基本單位。進程控制塊記錄了進程的當前狀態(tài)、調(diào)度信息、記時信息等。系統(tǒng)依據(jù)這些信息確定進程的狀態(tài)，實施進程控制和調(diào)度?！　?) 資源信息　　系統(tǒng)以進程為單位分配資源，并將資源信息記錄在進程的PCB中。資源包括該進程使用的存儲器空間、打開的文件以及設備等。通過這些信息，進程就可以得到運行需要的相關程序段與數(shù)據(jù)段、使用文件和設備等資源。,,4) 現(xiàn)場信息　　現(xiàn)場信息一般包括CPU的內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆

21、棧等，它們的值刻畫了進程的運行狀態(tài)。退出CPU的進程必須保存好這些現(xiàn)場狀態(tài)，以便在下次被調(diào)度時繼續(xù)運行。當一個進程被重新調(diào)度運行時，要用PCB中的現(xiàn)場信息來恢復CPU的運行現(xiàn)場?，F(xiàn)場一旦切換，下一個指令周期CPU將精確地接著上次運行的斷點處繼續(xù)執(zhí)行下去。,,4.1.4 進程的組織　　管理進程就是管理進程的PCB。一個系統(tǒng)中通?？赡軗碛袛?shù)百乃至上千個進程，為了有效地管理如此多的PCB，系統(tǒng)需要采用適當?shù)姆绞綄⑺鼈兘M織在一起。所有的PC

22、B都存放在內(nèi)存中，通常采用的組織結(jié)構(gòu)有數(shù)組、索引和鏈表3種方式。　　數(shù)組方式是將所有的PCB順序存放在一個一維數(shù)組中。這種方式比較簡單，但操作起來效率低，比如，要查找某個PCB時需要掃描全表?！　∷饕绞绞峭ㄟ^在PCB數(shù)組上設置索引表或散列表，以加快訪問速度。,,鏈表方式是將PCB鏈接起來，構(gòu)成鏈式隊列或鏈表。例如，所有就緒的PCB鏈成一個就緒隊列；所有等待的PCB按等待的事件鏈成多個等待隊列。這樣，在進程調(diào)度時只要掃描就緒隊列即可

23、，等待的事件發(fā)生時只要掃描相應的等待隊列即可。當進程狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時，鏈式結(jié)構(gòu)允許方便地向隊列插入和刪除一個PCB。　　實際的系統(tǒng)中通常會結(jié)合采用這些方法，以求達到最好的效率。,,4.1.5 Linux系統(tǒng)中的進程　　在Linux系統(tǒng)中，進程也稱為任務(task)，兩者的概念是一致的?！　?. ?Linux進程的狀態(tài)　　Linux的進程共有5種基本狀態(tài)，包括運行、就緒、睡眠(分為可中斷的與不可中斷的)、暫停和僵死。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖

24、4-4所示。,,,圖4-4 Linux系統(tǒng)的進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,Linux將這些基本狀態(tài)歸結(jié)為4種并加以命名和定義，它們是：　　(1) 可執(zhí)行態(tài)(runnable)：可執(zhí)行態(tài)實際包含了上述基本狀態(tài)中的運行和就緒兩種狀態(tài)。處于可執(zhí)行態(tài)的進程均已具備運行條件。它們或正在運行，或準備運行?！　?2) 睡眠態(tài)(sleeping)：即等待態(tài)。進程在等待某個事件或某個資源。睡眠態(tài)又細分為可中斷的(interruptible)和不可中斷的(unin

25、terruptible)兩種。它們的區(qū)別在于，在睡眠過程中，不可中斷狀態(tài)的進程會忽略信號，而處于可中斷狀態(tài)的進程如果收到信號會被喚醒而進入可執(zhí)行狀態(tài)，待處理完信號后再次進入睡眠狀態(tài)。,,(3) 暫停態(tài)(stopped)：處于暫停態(tài)的進程一般都是由運行態(tài)轉(zhuǎn)換而來，等待某種特殊處理。比如調(diào)試跟蹤的程序，每執(zhí)行到一個斷點，就轉(zhuǎn)入暫停態(tài)，等待新的輸入信號?！　?4) 僵死態(tài)(zombie)：進程運行結(jié)束或因某些原因被終止時，它將釋放除PCB外

26、的所有資源。這種占有PCB但已經(jīng)無法運行的進程就處于僵死狀態(tài)。,,2. ?Linux進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程　　Linux進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程是：新創(chuàng)建的進程處于可執(zhí)行的就緒態(tài)，等待調(diào)度執(zhí)行?！　√幱诳蓤?zhí)行態(tài)的進程在就緒態(tài)和運行態(tài)之間輪回。就緒態(tài)的進程一旦被調(diào)度程序選中，就進入運行狀態(tài)。等時間片耗盡之后，退出CPU，轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)等待下一次的調(diào)度。處于此輪回的進程在運行與就緒之間不斷地高速切換，可謂瞬息萬變。因此，對觀察者(系統(tǒng)與用戶)來說，

27、將此輪回概括為一個相對穩(wěn)定的可執(zhí)行態(tài)才有意義。,,運行態(tài)、睡眠態(tài)和就緒態(tài)形成一個回路。處于運行態(tài)的進程，有時需要等待某個事件或某種資源的發(fā)生，這時已無法占有CPU繼續(xù)工作，于是它就退出CPU，轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。當所等待的事件發(fā)生后，進程被喚醒，進入就緒狀態(tài)?！　∵\行態(tài)、暫停態(tài)和就緒態(tài)也構(gòu)成一個回路。當處于運行態(tài)的進程接收到暫停執(zhí)行信號時，它就放棄CPU，進入暫停態(tài)。當暫停的進程獲得恢復執(zhí)行信號時，就轉(zhuǎn)入就緒態(tài)?！　√幱谶\行態(tài)的進程調(diào)用退

28、出函數(shù)exit之后，進入僵死態(tài)。當父進程對該進程進行相應的處理后，撤銷其PCB。此時，這個進程就完成了它的使命，從僵死走向徹底消失。,,3. ?Linux的進程控制塊　　Linux系統(tǒng)的PCB用一個稱為task_struct的結(jié)構(gòu)體來描述。系統(tǒng)中每創(chuàng)建一個新的進程，就給它分配一個task_struct結(jié)構(gòu)，并填入進程的控制信息。task_struct主要包括以下內(nèi)容：　　(1) 進程標識號(PID)：PID是標識該進程的一個整數(shù)。系

29、統(tǒng)通過這個標識號來唯一地標識一個進程。　　(2) 用戶標識(UID)和組標識(GID)：描述進程的歸屬關系，即進程的屬主和屬組的標識號。系統(tǒng)通過這兩個標識號判斷進程對文件和設備的訪問權(quán)限。,,(3) 鏈接信息：用指針的方式記錄進程的父進程、兄弟進程以及子進程的位置(即PCB的地址)。系統(tǒng)通過鏈接信息確定進程的家族關系以及其在整個進程鏈中的位置。　　(4) 狀態(tài)：進程當前的狀態(tài)。　　(5) 調(diào)度信息：與系統(tǒng)調(diào)度相關的信息，包括優(yōu)先級

30、、時間片和調(diào)度策略?！　?6) 記時信息：包括時間和定時器。時間記錄進程建立的時間以及進程占用CPU的時間統(tǒng)計，是進程調(diào)度、統(tǒng)計和監(jiān)控的依據(jù)。定時器用于設定一個時間。時間到時，系統(tǒng)會發(fā)定時信號通知進程。,,(7) 通信信息：記錄有關進程間信號量通信及信號通信的信息。　　(8) 退出碼：記錄進程運行結(jié)束后的退出狀態(tài)，供父進程查詢用?！　?9) 文件系統(tǒng)信息：包括根目錄、當前目錄、打開的文件以及文件創(chuàng)建掩碼等信息?！　?10) 內(nèi)存

31、信息：記錄進程的代碼映像和堆棧的地址、長度等信息。　　(11) 進程現(xiàn)場信息：保存進程放棄CPU時所有CPU寄存器及堆棧的當前值。,,4. 查看進程的信息　　在Linux系統(tǒng)中，要查看進程的信息可使用ps(process status)命令。該命令可查看記錄在進程PCB中的幾乎所有信息?！　s命令　　【功能】查看進程的信息?！　　靖袷健縫s [選項]　　【選項】　　-e顯示所有進程?！　?f以全格式顯示。,,-

32、r只顯示正在運行的進程?！　?o以用戶定義的格式顯示?！　顯示所有終端上的所有進程。　　u以面向用戶的格式顯示?！　顯示所有不控制終端的進程?！　　菊f明】　　(1) 默認只顯示在本終端上運行的進程，除非指定了-e、a、x等選項?！　?2) 沒有指定顯示格式時，采用以下缺省格式，分4列顯示：　　PID TTY TIME CMD,,各字段的含義是：　　PID進程標識號。　　TTY進程

33、對應的終端，？表示該進程不占用終端?！　IME進程累計使用的CPU時間?！　MD進程執(zhí)行的命令名。　　(1) 指定-f選項時，以全格式，分8列顯示：　　UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD　　各字段的含義是：　　UID進程屬主的用戶名?！　PID父進程的標識號?！　進程最近使用的CPU時間?！　TIME進程開始時間?！　∑溆嗤?。,,(2

34、) 指定u選項時，以用戶格式，分11列顯示：　　USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND　　各字段的含義是：　　USER同UID。　　%CPU進程占用CPU的時間與進程總運行時間之比?！　?MEM進程占用的內(nèi)存與總內(nèi)存之比?！　SZ進程虛擬內(nèi)存的大小，以KB為單位?！　SS占用實際內(nèi)存的大小，以KB為單位?！　TAT進程當前

35、狀態(tài)，用字母表示。含義：R執(zhí)行態(tài)；S睡眠態(tài)；D不可中斷睡眠態(tài)；T暫停態(tài)；Z僵尸態(tài)。,,START同STIME?！　OMMAND同CMD。　　其余同上。　　例4.1 ps命令用法示例：　　$ ps#以缺省格式顯示本終端上的進程的信息　　 PID TTY TIME CMD　　 9805 pts/0 00:00:00 bash

36、　　 9835 pts/0 00:00:00 ps　　$ ps -ef #以全格式顯示當前系統(tǒng)中所有進程的信息　　　UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD　　　root 1 0 0 11:26 ? 00:00:03 /sbin/init　　　root 2 0 0 11:26 ? 00:0

37、0:00 [kthreadd]　　　root 3 2 0 11:26 ? 00:00:00 [migration/0]　　　root 4 2 0 11:26 ? 00:00:51 [ksoftirqd/0]　　　…,,$ ps aux#以用戶格式顯示當前系統(tǒng)中所有進程的信息　　USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT

38、START TIME COMMAND　　root 　1　 0.0　 0.1 1948 　 816 　? 　 S 11:26 0:03 /sbin/init　　root 　2　 0.0　 0.0 ?0 ?　0 　　? 　S 11:26 0:00 [kthreadd]　　…　　cherry 9805 0.0 0.2 6184 　1524

39、pts/0 S 　 22:31 0:00 bash　　cherry 9876 0.0 0.1 5980 940 pts/0 R 　22:36 0:00 ps aux　　…　　$,,5. Linux進程的組織　　Linux系統(tǒng)采用了多種方式來組織PCB，主要有以下幾種。　　1) 進程鏈表　　系統(tǒng)將所有的PCB鏈成一個雙向循環(huán)鏈表，進程通過PCB中的list_he

40、ad字段鏈入進程鏈表。遍歷該鏈表即可順序地找到每個進程?！　≡谠S多情況下，內(nèi)核需要根據(jù)進程的PID查找進程。順序掃描鏈表并逐個檢查PCB中的PID是相當?shù)托У摹榱思铀俨檎?，?nèi)核還設置了幾個進程散列表，將PID直接映射到PCB。,,2) 進程樹鏈表　　Linux系統(tǒng)中，進程之間存在著父子關系。除了init進程外，每個進程都有一個父進程，即創(chuàng)建了此進程的進程。一個進程可以創(chuàng)建0至多個進程，稱為它的子進程。具有相同父進程的進程稱為兄弟進

41、程。這樣，系統(tǒng)中的所有進程形成了一棵進程樹，每個進程都是樹中的一個節(jié)點，樹的根是init進程，它是所有進程的祖先進程?！　≡赑CB中設置有父進程指針parent、子進程指針children和兄弟進程指針sibling，它們構(gòu)造出了進程樹的結(jié)構(gòu)。進程通過這些指針可以直接找到它的家族成員。,,3) 可執(zhí)行隊列　　為了方便進程的調(diào)度，系統(tǒng)把所有處于可執(zhí)行狀態(tài)的PCB組織成一個可執(zhí)行隊列，處于可執(zhí)行狀態(tài)的進程通過PCB中的run_list字

42、段鏈入隊列?？蓤?zhí)行隊列中設置了一個curr指針，它指向隊列中正在使用CPU的進程，用來區(qū)別就緒態(tài)和運行態(tài)的進程。在進程切換時，進程調(diào)度程序從可執(zhí)行隊列中選擇一個讓其運行，并將curr指針指向它。,,4) 等待隊列　　進程因不同的原因而睡眠，例如，等待磁盤操作的數(shù)據(jù)、等待某系統(tǒng)資源可用或等待固定的時間間隔。系統(tǒng)將睡眠的進程分類管理，每類對應一個特定的事件，用一個等待隊列鏈接。等待隊列是一個雙向循環(huán)鏈表，鏈表的節(jié)點中包含了指向進程PCB的

43、指針。當某一事件發(fā)生時，內(nèi)核會喚醒相應的等待隊列中滿足等待條件的進程，將喚醒的進程從隊列中刪除，加入到可執(zhí)行隊列中。,,,4.2 進程的運行模式　　進程的運行緊密依賴于操作系統(tǒng)的內(nèi)核。因此，理解進程的運行機制需要首先認識內(nèi)核，了解內(nèi)核的運行方式，進而了解進程在核心態(tài)與用戶態(tài)下的不同執(zhí)行模式。4.2.1 操作系統(tǒng)內(nèi)核　　一個完整的操作系統(tǒng)由一個內(nèi)核和一些系統(tǒng)服務程序構(gòu)成。內(nèi)核(kernel)是操作系統(tǒng)的核心，它負責最基本的資源管

44、理和控制工作，為進程提供良好的運行環(huán)境?！　D4-5是Linux系統(tǒng)的層次體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分為3層：最底層是系統(tǒng)硬件；硬件層之上是核心層，它是運行程序和管理基本硬件的核心程序；用戶層由系統(tǒng)的核外程序和用戶程序組成，它們都是以用戶進程的方式運行在核心之上。,,,圖4-5 Linux系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),內(nèi)核在系統(tǒng)引導時載入并常駐內(nèi)存，形成對硬件的第一層包裝。啟動了內(nèi)核的系統(tǒng)具備了執(zhí)行進程的所有條件，使進程可以被正確地創(chuàng)建、運行、控制和撤銷。為

45、此，內(nèi)核應具備支撐進程運行的所有功能，包括對進程本身的控制及對進程要使用的資源的管理?！　inux系統(tǒng)的內(nèi)核主要由以下成分構(gòu)成：　　(1) 進程控制子系統(tǒng)，負責支持、管理和控制進程的運行，包括以下模塊：　　● 進程調(diào)度模塊，負責調(diào)度進程的運行?！　　?進程通信模塊，實現(xiàn)進程間的本地通信?！　　?內(nèi)存管理模塊，管理進程的地址空間。,,(2) 文件子系統(tǒng)，為進程提供I/O環(huán)境，包括以下模塊和成分：　　● 文件系統(tǒng)模塊，管理文件

46、和設備?！　　?網(wǎng)絡接口模塊，實現(xiàn)進程間的網(wǎng)絡通信?！　　?設備驅(qū)動程序，驅(qū)動和控制設備的運行?！　?1) 系統(tǒng)調(diào)用接口，提供進程與內(nèi)核的接口，進程通過此接口調(diào)用內(nèi)核的功能?！　?2) 硬件控制接口，是內(nèi)核與硬件的接口，負責控制硬件并響應和處理中斷事件。,,4.2.2 中斷與系統(tǒng)調(diào)用　　由圖可以看出，內(nèi)核與外界的接口是來自用戶層的系統(tǒng)調(diào)用和來自硬件層的中斷，而系統(tǒng)調(diào)用本身也是一種特殊的中斷。因此可以說內(nèi)核是中斷驅(qū)動的，它的主

47、要作用就是提供系統(tǒng)調(diào)用和中斷的處理。因此，了解內(nèi)核的運行機制需要先了解中斷和系統(tǒng)調(diào)用的概念。,,1. 中斷　　在早期的計算機系統(tǒng)中，CPU與各種設備是串行工作的。當需要設備傳輸數(shù)據(jù)時，CPU向設備發(fā)出指令，啟動設備執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸操作。然后CPU不斷地測試設備的狀態(tài)，直到它完成操作。在設備工作期間，CPU是處于原地踏步的循環(huán)中，這對CPU資源是極大的浪費?！　≈袛嗉夹g(shù)的出現(xiàn)完全改變了計算機系統(tǒng)的操作模式。在現(xiàn)代系統(tǒng)中，CPU與各種設備是

48、并發(fā)工作的。在中斷方式下，CPU啟動設備操作后，它不是空閑等待，而是繼續(xù)執(zhí)行程序。當設備完成I/O操作后，向CPU發(fā)出一種特定的中斷信號，打斷CPU的運行。CPU響應中斷后暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行專門的中斷處理程序，然后再返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。這個過程就是中斷。,,中斷的概念是因?qū)崿F(xiàn)CPU與設備并行操作而引入的。然而，這個概念后來被大大地擴大了?，F(xiàn)在，系統(tǒng)中所有異步發(fā)生的事件都是通過中斷機制來處理的，包括I/O設備中斷、系統(tǒng)時鐘中

49、斷、硬件故障中斷、軟件異常中斷等。這些中斷分為硬件中斷和軟件中斷(也稱為異常)兩大類。每個中斷都對應一個中斷處理程序。中斷發(fā)生后，CPU通過中斷處理入口轉(zhuǎn)入相應的處理程序來處理中斷事件?！　￡P于中斷技術(shù)的更多介紹見7.2.1小節(jié)。,,2. 系統(tǒng)調(diào)用　　系統(tǒng)調(diào)用是系統(tǒng)內(nèi)核提供的一組特殊的函數(shù)，用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問系統(tǒng)資源。與普通函數(shù)的不同之處在于，普通函數(shù)是由用戶或函數(shù)庫提供的程序代碼，它們的運行會受到系統(tǒng)的限制，不能訪問系統(tǒng)資

50、源。系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核中的程序代碼，它們具有訪問系統(tǒng)資源的特權(quán)。當用戶進程需要執(zhí)行涉及系統(tǒng)資源的操作時，需要通過系統(tǒng)調(diào)用，讓內(nèi)核來完成?！　∠到y(tǒng)調(diào)用是借助中斷機制實現(xiàn)的，它是軟中斷的一種，稱為“系統(tǒng)調(diào)用”中斷。當進程執(zhí)行到一個系統(tǒng)調(diào)用時，就會產(chǎn)生一個系統(tǒng)調(diào)用中斷。CPU將響應此中斷，轉(zhuǎn)入系統(tǒng)調(diào)用入口程序，然后調(diào)用內(nèi)核中相應的系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù)，執(zhí)行該系統(tǒng)調(diào)用對應的功能?！　￡P于系統(tǒng)調(diào)用的更多介紹見8.4節(jié)。,,4.2.3 進程的運行模式

51、　　1. ?CPU的執(zhí)行模式　　CPU的基本功能就是執(zhí)行指令。通常，CPU指令集中的指令可以劃分為兩類：特權(quán)指令和非特權(quán)指令。特權(quán)指令是指具有特殊權(quán)限的指令，可以訪問系統(tǒng)中所有寄存器和內(nèi)存單元，修改系統(tǒng)的關鍵設置。比如清理內(nèi)存、設置時鐘、執(zhí)行I/O操作等都是由特權(quán)指令完成的。而非特權(quán)指令是那些用于一般性的運算和處理的指令。這些指令只能訪問用戶程序自己的內(nèi)存地址空間。,,特權(quán)指令的權(quán)限高，如果使用不當則可能會破壞系統(tǒng)或其他用戶的數(shù)據(jù)，

52、甚至導致系統(tǒng)崩潰。為了安全起見，這類指令只允許操作系統(tǒng)的內(nèi)核程序使用，而普通的應用程序只能使用那些沒有危險的非特權(quán)指令。實現(xiàn)這種限制的方法是在CPU中設置一個代表運行模式的狀態(tài)字，修改這個狀態(tài)字就可以切換CPU的運行模式。　　386以上的CPU支持4種不同特權(quán)級別的運行模式，Linux系統(tǒng)只用到了其中兩個，即稱為核心態(tài)的最高特權(quán)級模式(ring0)和稱為用戶態(tài)的最低特權(quán)級模式(ring3)。在核心態(tài)下，CPU能不受限制地執(zhí)行所有指令，

53、從而表現(xiàn)出最高的特權(quán)。而在用戶態(tài)下，CPU只能執(zhí)行一般指令，不能執(zhí)行特權(quán)指令，因而也就沒有特權(quán)。內(nèi)核的程序運行在核心態(tài)下，而用戶程序則只能運行在用戶態(tài)下。從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為核心態(tài)的唯一途徑是中斷(包括系統(tǒng)調(diào)用)。一旦CPU響應了中斷，則將CPU的狀態(tài)切換到核心態(tài)，待中斷處理結(jié)束返回時，再將CPU狀態(tài)切回到用戶態(tài)。,,2. 進程的運行模式　　進程在其運行期間常常被中斷或系統(tǒng)調(diào)用打斷，因此CPU也經(jīng)常地在用戶態(tài)與核心態(tài)之間切換。在進行通常的計

54、算和處理時，進程運行在用戶態(tài)；執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用或中斷處理程序時進入核心態(tài)，執(zhí)行內(nèi)核代碼。調(diào)用返回后，回到用戶態(tài)繼續(xù)運行。圖4-6描述了用戶進程的運行模式切換。,,,圖4-6 用戶進程的運行模式切換,在A期間，進程運行在用戶態(tài)，執(zhí)行的是用戶程序代碼。運行到某一時刻時發(fā)生了中斷，進程隨即“陷入”核心態(tài)運行。在B期間，CPU運行在核心態(tài)，執(zhí)行的是內(nèi)核程序代碼。此時有兩種情況：如果進程是被中斷打斷的，則B期間執(zhí)行的是中斷處理程序，它是隨機插入的，

55、與進程本身無關；如果進程是因調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核空間的，則B執(zhí)行的是內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用程序代碼，它是作為進程的一個執(zhí)行環(huán)節(jié)，由內(nèi)核代理用戶進程繼續(xù)執(zhí)行的。在中斷或系統(tǒng)調(diào)用返回后的C期間中，進程在用戶態(tài)繼續(xù)運行。,,,4.3 進 程 控 制　　進程控制是指對進程的生命周期進行有效的管理，實現(xiàn)進程的創(chuàng)建、撤銷以及進程各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換等控制功能。進程控制的目標是使多個進程能夠平穩(wěn)高效地并發(fā)執(zhí)行，充分共享系統(tǒng)資源。,,4.3.1 進程控制

56、的功能　　進程控制的功能是控制進程在整個生命周期中各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換(不包括就緒態(tài)與運行態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，它們是由進程調(diào)度來實現(xiàn)的)。為此，內(nèi)核提供了幾個原子性的操作函數(shù)，稱為原語(primitive)。原語與普通函數(shù)的區(qū)別是它的各個指令的執(zhí)行是不可分割的，要么全部完成，要么一個也不做，因而可以看做是一條廣義的指令。用于進程控制的原語主要有創(chuàng)建、終止、阻塞和喚醒等。,,1) 創(chuàng)建進程　　創(chuàng)建原語的主要任務是根據(jù)創(chuàng)建者提供的有關參數(shù)(包括

57、進程名、進程優(yōu)先級、進程代碼起始地址、資源清單等信息)，建立進程的PCB。具體的操作過程是：先申請一個空閑的PCB結(jié)構(gòu)，調(diào)用資源分配程序為它分配所需的資源，將有關信息填入PCB，狀態(tài)置為就緒態(tài)，然后把它插入就緒(可執(zhí)行)隊列中?！　?) 撤銷進程　　撤銷原語用于在一個進程運行終止時，撤銷這個進程并釋放進程占用的資源。撤銷的操作過程是：找到要被撤銷的進程的PCB，將它從所在隊列中摘出，釋放進程所占用的資源，最后銷去進程的PCB。,,3

58、) 阻塞進程　　阻塞原語用于完成從運行態(tài)到等待態(tài)的轉(zhuǎn)換工作。當正在運行的進程需要等待某一事件而無法執(zhí)行下去時，它就調(diào)用阻塞原語把自己轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)。阻塞原語具體的操作過程是：首先中斷CPU的執(zhí)行，把CPU的當前狀態(tài)保存在PCB的現(xiàn)場信息中；然后把被阻塞的進程置為等待狀態(tài)，插入到相應的等待隊列中；最后調(diào)用進程調(diào)度程序，從就緒(可執(zhí)行)隊列中選擇一個進程投入運行。,,4) 喚醒進程　　喚醒原語用于完成等待態(tài)到就緒態(tài)的轉(zhuǎn)換工作。當處于等待狀

59、態(tài)的進程所等待的事件出現(xiàn)時，內(nèi)核會調(diào)用喚醒原語喚醒被阻塞的進程。操作過程是：在等待隊列中找到該進程，置進程的當前狀態(tài)為就緒態(tài)，然后將它從等待隊列中撤出并插入到就緒(可執(zhí)行)隊列中。,,4.3.2 Linux系統(tǒng)的進程控制　　在Linux系統(tǒng)中，進程控制的功能是由內(nèi)核的進程控制子系統(tǒng)實現(xiàn)的，并以系統(tǒng)調(diào)用的形式提供給用戶進程或其他系統(tǒng)進程使用。,,1. 進程的創(chuàng)建與映像更換　　系統(tǒng)啟動時執(zhí)行初始化程序，啟動進程號為1的init進程運行

60、。系統(tǒng)中所有的其他進程都是由init進程衍生而來的。除init進程外，每個進程都是由另一個進程創(chuàng)建的。新創(chuàng)建的進程稱為子進程，創(chuàng)建子進程的進程稱為父進程。　　Unix/Linux系統(tǒng)建立新進程的方式與眾不同。它不是一步構(gòu)造出新的進程，而是采用先復制再變身的兩個步驟，即先按照父進程創(chuàng)建一個子進程，然后再更換進程映像開始執(zhí)行。,,1) 創(chuàng)建進程　　創(chuàng)建一個進程的系統(tǒng)調(diào)用是fork()。創(chuàng)建進程采用的方法是克隆，即用父進程復制一個子進程。

61、做法是：先獲得一個空閑的PCB，為子進程分配一個PID，然后將父進程的PCB中的代碼及資源復制給子進程的PCB，狀態(tài)置為可執(zhí)行態(tài)。建好PCB后將其鏈接入進程鏈表和可執(zhí)行隊列中。此后，子進程與父進程并發(fā)執(zhí)行。父子進程執(zhí)行的是同一個代碼，使用的是同樣的資源。它與父進程的區(qū)別僅僅在于PID(進程號)、PPID(父進程號)和與子進程運行相關的屬性(如狀態(tài)、累計運行時間等)，而這些是不能從父進程那里繼承來的。,,fork()系統(tǒng)調(diào)用　　【功能】

62、創(chuàng)建一個新的子進程?！　　菊{(diào)用格式】int fork();　　【返回值】　　0向子進程返回的返回值，總為0　　> 0向父進程返回的返回值，它是子進程的PID。　　-1創(chuàng)建失敗。　　【說明】若fork()調(diào)用成功，則它向父進程返回子進程的PID，并向新建的子進程返回0?！　D4-7描述了fork()系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行結(jié)果。,,,圖4-7 fork系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行結(jié)果,從圖4-7中可以看出，當一個進程成功執(zhí)行了fo

63、rk()后，從該調(diào)用點之后分裂成了兩個進程：一個是父進程，從fork()后的代碼處繼續(xù)運行；另一個是新創(chuàng)建的子進程，從fork()后的代碼處開始運行。由fork()產(chǎn)生的進程分裂在結(jié)構(gòu)上很像一把叉子，故得名fork()?！　∨c一般函數(shù)不同，fork()是“一次調(diào)用，兩次返回”，因為調(diào)用成功后，已經(jīng)是兩個進程了。由于子進程是從父進程那里復制的代碼，因此父子進程執(zhí)行的是同一個程序，它們在執(zhí)行時的區(qū)別只在于得到的返回值不同。父進程得到的返回

64、值是一個大于0的數(shù)，它是子進程的PID；子進程得到的返回值為0。,,若程序中不考慮fork()的返回值，則父子進程的行為就完全一樣了。但創(chuàng)建一個子進程的目的是想讓它做另一件事。所以，通常的做法是：在fork()調(diào)用后，通過判斷fork()的返回值，分別為父進程和子進程設計不同的執(zhí)行分支。這樣，父子進程執(zhí)行的雖是同一個代碼，執(zhí)行路線卻分道揚鑣。圖4-8描述了用fork()創(chuàng)建子進程的常用流程。,,,圖4-8 用fork創(chuàng)建子進程,例4.

65、2 一個簡單的fork_test程序：　　#include 　　main()　　{ int rid;　　 rid = fork();　　 if (rid 0 ) // 父進程分支　　　 printf(“I am parent, my rid is %d, my PID is %d\n”, rid, getpid());　　 else // 子進程分支　　　

66、 printf(“I am child, my rid is %d, my PID is %d\n”, rid, getpid());　　},,注：程序中的getpid()是一個系統(tǒng)調(diào)用，它返回本進程的進程標識號PID。　　fork_test程序運行時，父子進程將會輸出不同的信息，如父進程的輸出可能是“I am parent, my rid is 8229, my PID is 8228”；子進程的輸出可能是“I am chil

67、d, my rid is 0, my PID is 8229”。由于兩進程是并發(fā)的，它們輸出信息的先后次序不確定，有可能父先子后，也可能相反。,,2) 更換進程映像　　進程映像是指進程所執(zhí)行的程序代碼及數(shù)據(jù)。fork()是將父進程的執(zhí)行映像拷貝給子進程，因而子進程實際上是父進程的克隆體。但通常用戶需要的是創(chuàng)建一個新的進程，它執(zhí)行的是一個不同的程序。Linux系統(tǒng)的做法是，先用fork()克隆一個子進程，然后在子進程中調(diào)用exec()，

68、使其脫胎換骨，變換為一個全新的進程?！　xec()系統(tǒng)調(diào)用的功能是根據(jù)參數(shù)指定的文件名找到程序文件，把它裝入內(nèi)存，覆蓋原來進程的映像，從而形成一個不同于父進程的全新的子進程。除了進程映像被更換外，新子進程的PID及其他PCB屬性均保持不變，實際上是一個新的進程“借殼”原來的子進程開始運行。,,exec()系統(tǒng)調(diào)用　　【功能】改變進程的映像，使其執(zhí)行另外的程序?！　　菊{(diào)用格式】exec()是一系列系統(tǒng)調(diào)用，共有6種調(diào)用格式，其中e

69、xecve()是真正的系統(tǒng)調(diào)用，其余是對其包裝后的C庫函數(shù)。　　int execve(char *path, char *argv[], char *envp[]);　　int execl(char *path, char *arg0, char *arg1, ... char *argn, 0);　　int execle(char *path, char *arg0, char *arg1, ... char *argn, 0,